CN105552827A - 强制电流转移电路及其电流转移方法 - Google Patents

Abstract

一种强制电流转移电路及其电流转移方法，强制电流转移电路包括主电流电路(E1)、转移电路(E2)以及第一接入端(S1)和第二接入端(S2)，主电流电路(E1)由可以在连续承载并导通电流的导通状态和截止电流的截止状态之间切换的电流截止装置(A0)和可以在连续承载并导通电流的导通状态和具有高通态电压的辅助转移状态之间切换的电流辅助转移装置(CCAE)串联组成；第一接入端(S1)连接所述电流截止装置(A0)的一端，电流截止装置(A0)的另一端与电流辅助转移装置(CCAE)的一端相连；电流辅助转移装置(CCAE)的另一端连接第二接入端(S2)；转移电路(E2)和主电流电路(E1)并联。

Description

强制电流转移电路及其电流转移方法

技术领域

本发明涉及一种强制电流转移电路及其电流转移方法，特别是涉及一种包含主动或被动电流辅助转移装置的电流转移电路及其电流转移方法。

背景技术

直流断路器是直流供电系统安全运行的保证，因为直流电流中没有自然过零点，采用直接开断的方式将受到很大的制约，解决这一问题的有效思路是基于电流转移创造电流过零点的新型开断方式。电流转移的方式可以分为自然电流转移和强制电流转移两种方式。其中自然电流转移方式的效果受到元件参数、元件配合、工作条件等多种因素的影响，工程实际应用有诸多限制。与之相比，强制电流转移的方式有更高的工程应用价值。直流系统短路电流具有幅值高、上升快、危害巨大的特点，而如何安全、可靠及快速地将电流强制转移则是这一新型开断方式所面临的首要问题。

专利文献CN103021739公开了一种弧开断的混合式直流断路器，包括高速真空开关VB、LC强制转移电路、过电压限制电路以及控制系统，高速真空开关VB、LC强制转移电路以及过电压限制电路并联，所述LC强制转移电路由预充电电容C、电感L和电力电子门极可关断器件串联组成，所述LC强制转移电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关两端电压被限制在一定范围；所述控制系统监测系统电流和高速真空开关VB电流二者的电流值及变化率di/dt，并根据监测结果向高速真空开关VB和电力电子门极可关断器件发出相应的控制命令。该专利基于高速真空开关和电力电子门极可关断器件控制LC放电技术，兼备了机械开关良好的静态特性以及电力电子门极可关断器件良好的动态特性。但该专利需要额外的过电压限制电路来实现分断，预充电电容没有和直流系统绝缘隔离，对预充电电容的性能体积要求比较高，而且不利于断路器的开断可靠性；该专利的电路和功率半导体器件也比较多使得断路器的反应时间较长，降低了断路器的灵敏性和可靠性，且提高了断路器的成本。

专利文献CN103441468公开了一种直流分断装置，包括主断路器、辅助断路器、第一非线性电阻和第一高速机械开关，其中，主断路器和辅助断路器分别包括至少一个功率半导体开关器件，各个功率半导体开关器件相互串联，且主断路器中功率半导体开关器件的数量大于辅助断路器中功率半导体开关器件的数量，第一非线性电阻与主断路器相互并联，第一高速机械开关与辅助断路器相互串联；其特征在于：还包括第二高速机械开关，第一高速机械开关和第二高速机械开关分别与辅助断路器的两端相串联构成通态支路，通态支路与主断路器相并联。该专利通过在辅助断路器的两端串联第一高速机械开关和第二高速机械开关，能够有效为辅助断路器的工作过程提供更加全面的保护，而且有利于辅助断路器的隔离检修，提高了直流分断装置整体的使用性能与维护的便捷性；针对辅助断路器，设计第二非线性电阻，且第二非线性电阻的动作电压小于所述辅助断路器所能承受的最大电压，能够有效保证了辅助断路器工作过程的安全性，防止辅助断路器因过压而损坏，提高了使用寿命，该专利需要数量较多的功率半导体器件使得断路器的反应时间较长，降低了断路器的灵敏性和可靠性，且提高了断路器的成本，非线性电阻和主断路器并联降低了部件的安全性。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提出一种强制电流转移电路，通过电流辅助转移装置产生的高导通电压，配合转移电路，可以有效的将电流从主电流电路强制转移至转移电路。并且由于电流截止装置的作用，可以实现所有电流的完全转移。本发明的强制电流转移电路的电路简单、部件少，反应时间短，提高了强制电流转移电路的灵敏性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

根据本发明的第一方面，强制电流转移电路包括主电流电路、转移电路以及第一接入端和第二接入端。

所述主电流电路由可以在连续承载并导通电流的导通状态和截止电流的截止状态之间切换的电流截止装置和可以在连续承载并导通电流的导通状态和具有高通态电压的辅助转移状态之间切换的电流辅助转移装置串联组成。

所述第一接入端连接所述电流截止装置的一端，所述电流截止装置的另一端与所述电流辅助转移装置的一端相连；所述电流辅助转移装置的另一端连接所述第二接入端。

所述转移电路是由单一或多种电气元件连接构成的具有承受所述主电流电路转移的电流的电路，所述转移电路和所述主电流电路并联。

优选地，所述电流截止装置是功率半导体开关元件或机械开关元件及其串并联组合，其中所述功率半导体开关元件为二极管、晶闸管、绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管或集成门极换流晶闸管及其串并联组合，所述机械开关元件为由永磁机构、电磁铁机构或斥力机构作为操动机构的气体绝缘或真空绝缘开关及其串并联组合。

优选地，所述电流辅助转移装置包括超导限流器、液态金属限流器、非线性电阻或热敏电阻及其串并联组合。

优选地，所述转移电路包括由多个晶闸管串联组成的第一电路和由晶闸管、电容和电感器串联组成的第二电路，所述第一电路与所述第二电路并联。

优选地，所述电流辅助转移装置为电阻型超导限流器。

优选地，所述电流截止装置为隔离开关。

优选地，所述电感器为空心电感或含磁芯的电感器。

优选地，所述转移电路由多个绝缘栅双极晶体管串联组成。

优选地，所述电流辅助转移装置为液态金属限流器。

优选地，所述转移电路包括由电容与副边电感器串联组成的第一电路和由功率半导体器件、预充电电容和原边电感器串联组成的第二电路，所述原边电感器和副边电感器组成互感器，所述第一电路与主电流电路并联，所述第二电路与第一电路绝缘。通过在转移电路中串联互感器，控制互感器与直流系统隔离的原边侧的电容放电产生脉冲电流。可以实现电容充电单元与直流系统的隔离，显著减小充电单元的电压等级与体积，提高开断的可靠性。

根据本发明的第二方面，使用所述的强制电流转移电路的电流转移方法包括以下步骤。

第一步骤中，正常工作状态下，所述电流截止装置和辅助转移装置均处于所述导通状态，电流在第一接入端、所述主电流电路和第二接入端组成的通路中流过，所述转移电路没有电流流过，当需要所述电流从所述主电流电路转移至所述转移电路时，所述电流辅助转移装置从所述导通状态转变为辅助转移状态。

第二步骤中，在所述辅助转移状态中，所述电流辅助转移装置产生高通态电压，所述电流从所述主电流电路转移至所述转移电路；

第三步骤中，所述电流截止装置转变为截止状态，所述电流完成从所述主电流电路至所述转移电路的转移。

本发明对比已有技术优势在于：利用电流辅助转移装置产生的高导通电压，辅助电流转移到转移电路中，如果脱离发明所提供的强制电流转移电路，电流转移过程将会低效并且容易受到元件参数、元件配合、工作条件等多种因素的影响。

附图说明

参照附图，上述以及其他本发明的目的、特征和优点，通过本发明实施例的以下说明性且非限制性详细描述将被更好地理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的强制电流转移电路的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的强制电流转移电路的强制电流转移过程电流波形示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的强制电流转移电路的结构示意图；

图4是根据本发明另一个实施例的强制电流转移电路的结构示意图，该实施例可用于切断电路电流；

图5是根据本发明一个实施例的使用强制电流转移电路的电流转移方法的步骤示意图；

其中：E1为主电流电路；E2为转移电路；E3为转移电路的第一电路；E4为转移电路的第二电路；1为主电流电路的电流；2为转移电路的电流；3为电流辅助转移装置CCAE的电压；t0为电流辅助转移装置作用时刻；t1为开始强制电流转移时刻；t2为电流完全转移时刻；t3为电流辅助转移装置作用消失时刻；A0为电流截止装置；CCAE为电流辅助转移装置；SFCL为超导限流器；LMCL为液态金属限流器；S1为第一接入端；S2为第二接入端；

所有附图都是示意性的，不是必须完全一致的，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

以下详细描述实际上仅是示例性的而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论约束。除非明确地具有相反的描述，否则词语“包括”及其不同的变型应被理解为隐含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

本发明的实施例描述了一种强制电流转移电路，如图1所示的根据本发明一个实施例的强制电流转移电路的结构示意图，强制电流转移电路包括主电流电路E1、转移电路E2以及第一接入端S1和第二接入端S2。

所述主电流电路E1由可以在连续承载并导通电流的导通状态和截止电流的截止状态之间切换的电流截止装置A0和可以在连续承载并导通电流的导通状态和具有高通态电压的辅助转移状态之间切换的电流辅助转移装置CCAE串联组成。

所述第一接入端S1连接所述电流截止装置A0的一端，所述电流截止装置A0的另一端与所述电流辅助转移装置CCAE的一端相连，以便实现第一接入端S1与所述主电流电路E1一端的连接；所述电流辅助转移装置CCAE的另一端连接所述第二接入端S2，以便实现所述第二接入端与所述主电流电路E1的另一端的连接。

所述转移电路E2是由单一或多种电气元件连接构成的具有承受所述主电流电路E1转移的电流的电路，所述转移电路E2和所述主电流电路E1并联。

在一个实施例中，所述转移电路E2的一端连入所述电流截止装置A0和接入端S1相连的一端；所述转移电路E2的另一端与连入所述流辅助转移装置CCAE和接入端S2相连的一端；通过所述系统接入端S1和S2，可以实现与外部系统的电连接。

在一个实施例中，电气元件包含且不限于有源电气元件、无源电气元件、功率半导体开关元件、非线性电气元件；所述有源电气元件包括且不限于电容器、电感器；所述无源电气元件包括且不限于铜排、未储能的电容器、未储能的电感器、电阻器、机械开关元件；所述非线性电气元件包括且不限于避雷器、非线性电阻、压敏电阻、热敏电阻。

在一个实施例中，所述电流截止装置A0包括且不限于功率半导体开关元件和机械开关元件及其串并联组合。所述功率半导体开关元件包括且不限于二极管、晶闸管SCR、绝缘栅双极晶体管IGBT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT及其串并联组合；所述机械开关元件包括由永磁机构、电磁铁机构、斥力机构作为操动机构的气体绝缘或真空绝缘开关及其串并联组合。

在一个实施例中，所述电流辅助转移装置CCAE至少具有两种工作状态，其中包含导通状态和辅助转移状态，并且两种状态之间可以主动或被动切换；所述导通状态下，电流辅助转移装置具有较强的电流承载能力，可以在一定电流范围下连续承载并导通电流；所述辅助转移状态，电流辅助转移装置具有较弱的导电能力，与所述正常导通状态相比具有高通态电压的特性；所述电流截止装置A0和电流辅助转移装置CCAE可以配合使用，实现强制电流从主电流电路E1转移至转移电路E2的功能。

在一个实施例中，所述强制电流转移电路既可以独立存在，也可以作为其他电路的一部分存在。

在下文中，描述本发明中强制电流转移电路的工作原理。正常工作期间，本发明中强制电流转移电路通过接入端S1和S2接入外部系统，电流截止装置A0和电流辅助转移装置CCAE处于正常导通状态，转移电路E2中并没有电流流过。当有电流转移需要时，则电流辅助转移装置CCAE首先进入辅助转移状态，导通电压升高。由于主电流电路E1中的电流辅助转移装置CCAE导通电压升高，将会促使电流流向转移电路E2。此时使电流截止装置A0进入截止状态，则电流将完全转移至转移电路E2。

图2是根据本发明一个实施例的强制电流转移电路的强制电流转移过程电流波形示意图，在下文中，参考图2，进一步说明本发明中强制电流转移电路的工作过程。在时间t0以前，电流截止装置A0和电流辅助转移装置CCAE处于正常导通状态，主电路电流即为外部系统电流。在t0时刻，电流辅助转移装置CCAE进入辅助转移状态，电流辅助转移装置CCAE的导通电压升高，并且从t1时刻开始，电流开始向转移电路转移，此时主电流电路E1电流逐渐减小，转移电路E2电流逐渐增大，直到t2时刻电流完全从主电流电路E1转移至转移电路E2。到达t3时刻后，电流辅助转移装置CCAE作用消失。其中，t0时刻先于t1时刻，t1时刻先于t2时刻，t2时刻与t3时刻并无绝对先后关系。

在一个实施例中，所述电流截止装置A0是功率半导体开关元件或机械开关元件及其串并联组合，其中所述功率半导体开关元件为二极管、晶闸管SCR、绝缘栅双极晶体管IGBT、双模式绝缘栅晶体管BIGT或集成门极换流晶闸管IGCT及其串并联组合，所述机械开关元件为由永磁机构、电磁铁机构或斥力机构作为操动机构的空气绝缘或真空绝缘开关及其串并联组合。

在一个实施例中，所述电流辅助转移装置CCAE包括超导限流器SFCL、液态金属限流器LMCL、非线性电阻或热敏电阻PTC及其串并联组合。

在一个实施例中，所述转移电路E2包括由多个晶闸管SCR串联组成的第一电路E3和由晶闸管SCR、电容C和电感器L串联组成的第二电路E4，所述第一电路E3与所述第二电路E4并联。

在一个实施例中，所述电感器L为空心电感或含磁芯的电感器。

图3是根据本发明另一个实施例的强制电流转移电路的结构示意图，参见图3，电流截止装置A0为隔离开关，电流辅助转移装置CCAE为电阻型超导限流器(SuperconductingFaultCurrentLimiter)SFCL，由隔离开关和超导限流器SFCL串联构成主电流电路E1，转移电路E2由两条支路并联而成，这两条支路分别为：晶闸管SCR串联的第一电路E3；电容电感晶闸管串联的第二电路E4，第一和第二接入端S1、S2为电缆，由电缆与外部电路连接。当该强制电流转移电路工作与正常状态时，隔离开关闭合，超导限流器处于超导状态，转移电路E2中的所有晶闸管处于关断状态，电容器预充有图示方向的电压。此时强制电流转移电路整体工作在一种稳定状态，此时来自于系统的电流全部从主电流电路E1流过。

当系统发生短路故障时，系统中的线路电流快速增加，超导限流器SFCL发生失超，在线路中表现为一个电阻。由于超导限流器SFCL的电阻作用，流过电流后将产生很大的通态电压。此时控制晶闸管SCR串联的第一电路E3导通，由于晶闸管的导通电压与超导限流器的通态电压相比要小得多，电流将会从主电流电路E1流入转移电路E2中的晶闸管SCR串联的第一电路E3里。当电流完全从主电流电路E1流到晶闸管SCR串联的第一电路E3后，则可以控制隔离开关断开，切出主电流电路。此后，控制电容电感晶闸管串联的第二电路E4的晶闸管导通，可以完成晶闸管SCR串联的第一电路E3的关断。

图4是根据本发明另一个实施例的强制电流转移电路的结构示意图，该实施例可用于切断电路电流。参见图4，电流截止装置A0为隔离开关，接入端S1、S2为铜排，电流辅助转移装置CCAE为液态金属限流器(LiquidMetalCurrentLimiter)LMCL，转移电路E2由绝缘栅双极晶体管IGBT组件串联组件构成。由隔离开关和液态金属限流器LMCL串联构成主电流电路E1，由串联IGBT构成转移电路E2，该强制电流转移电路实施例通过接入端与外部系统连接。外部系统包含电源、线路和避雷器。当强制电流转移电路工作于正常状态时，隔离开关闭合，液态金属限流器工作于未起弧状态，等效为一段普通导线，结缘栅双极晶体管IGBT处于截止状态。此时来自于系统的电流全部从主电流电路E1流过。

当系统发生短路故障时，系统中的线路电流快速增加，液态金属限流器LMCL由于磁收缩效应迅速起弧，产生很高的电弧电压，与此同时导通转移电路E2中绝缘栅双极晶体管IGBT。通常液态金属限流器LMCL的电弧电压远高于IGBT的导通压降，在该电弧电压作用下，电流将会向转移电路E2强制转移。当主电流电路E1的电流完全转移到转移电路E2后，打开隔离开关，则可以切出主电流电路，完成电流从主电流电路E1向转移电路E2完全转移。

进一步参考图4，这时候如果关断转移电路E2里的IGBT，就可以转移电路的电流，由切断电流所产生的过电压将被与本发明实施例并联的避雷器吸收，电源、线路中的剩余能量最终耗散在避雷器中，实现电路开断的功能。

本领域的技术人员意识到，本发明绝不限于上述的实施例，不限于交、直流系统中，也不限于短路限流、分断领域。

参见图5，使用所述的强制电流转移电路的电流转移方法，其包括以下步骤。

第一步骤s1中，正常工作状态下，所述电流截止装置A0和辅助转移装置CCAE均处于所述导通状态，电流在第一接入端S1、所述主电流电路E1和第二接入端S2组成的通路中流过，所述转移电路E2没有电流流过，当需要所述电流从所述主电流电路E1转移至所述转移电路E2时，所述电流辅助转移装置CCAE从所述导通状态转变为辅助转移状态。

第二步骤s2中，在所述辅助转移状态中，所述电流辅助转移装置CCAE产生高通态电压，所述电流从所述主电流电路E1转移至所述转移电路E2。

第三步骤s3中，所述电流截止装置A0转变为截止状态，所述电流完成从所述主电流电路E1至所述转移电路E2的转移。

本发明公开了的强制电流转移电路通过电流辅助转移装置产生的高导通电压，配合转移电路，可以有效的将电流从主电流电路强制转移至转移电路。并且由于电流截止装置的作用，可以实现所有电流的完全转移且反应时间短，灵敏度以及可靠性高。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种强制电流转移电路，所述强制电流转移电路包括主电流电路(E1)、转移电路(E2)以及第一接入端(S1)和第二接入端(S2)，其特征在于：

所述主电流电路(E1)由可以在连续承载并导通电流的导通状态和截止电流的截止状态之间切换的电流截止装置(A0)和可以在连续承载并导通电流的导通状态和具有高通态电压的辅助转移状态之间切换的电流辅助转移装置(CCAE)串联组成；

所述第一接入端(S1)连接所述电流截止装置(A0)的一端，所述电流截止装置(A0)的另一端与所述电流辅助转移装置(CCAE)的一端相连；所述电流辅助转移装置(CCAE)的另一端连接所述第二接入端(S2)；

所述转移电路(E2)是由单一或多种电气元件连接构成的具有承受所述主电流电路(E1)转移的电流的电路，所述转移电路(E2)和所述主电流电路(E1)并联。

2.根据权利要求1所述的强制电流转移电路，其特征在于：优选的，所述电流截止装置(A0)是功率半导体开关元件或机械开关元件及其串并联组合，其中所述功率半导体开关元件为二极管、晶闸管(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双模式绝缘栅晶体管(BIGT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)及其串并联组合，所述机械开关元件为由永磁机构、电磁铁机构或斥力机构作为操动机构的气体绝缘或真空绝缘开关及其串并联组合。

3.根据权利要求1所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述电流辅助转移装置(CCAE)包括超导限流器(SFCL)、液态金属限流器(LMCL)、非线性电阻或热敏电阻(PTC)及其串并联组合。

4.根据权利要求1所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述转移电路(E2)包括由多个晶闸管(SCR)串联组成的第一电路(E3)和由晶闸管(SCR)、电容(C)和电感器(L)串联组成的第二电路(E4)，所述第一电路(E3)与所述第二电路(E4)并联。

5.根据权利要求4所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述电流辅助转移装置(CCAE)为电阻型超导限流器(SFCL)。

6.根据权利要求4所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述电流截止装置(A0)为隔离开关。

7.根据权利要求4所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述电感器(L)为空心电感或含磁芯的电感器。

8.根据权利要求1所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述转移电路(E2)由多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联组成。

9.根据权利要求8所述的强制电流转移电路，其特征在于：所述电流辅助转移装置(CCAE)为液态金属限流器(LMCL)。

10.一种使用根据权利要求1－9中任一项所述的强制电流转移电路的电流转移方法，其包括以下步骤：

第一步骤(s1)中，正常工作状态下，所述电流截止装置(A0)和辅助转移装置(CCAE)均处于所述导通状态，电流在第一接入端(S1)、所述主电流电路(E1)和第二接入端(S2)组成的通路中流过，所述转移电路(E2)没有电流流过，当需要所述电流从所述主电流电路(E1)转移至所述转移电路(E2)时，所述电流辅助转移装置(CCAE)从所述导通状态转变为辅助转移状态；

第二步骤(s2)中，在所述辅助转移状态中，所述电流辅助转移装置(CCAE)产生高通态电压，所述电流从所述主电流电路(E1)转移至所述转移电路(E2)；

第三步骤(s3)中，所述电流截止装置(A0)转变为截止状态，所述电流完成从所述主电流电路(E1)至所述转移电路(E2)的转移。